噴淋塔脫硫過(guò)程及專用噴嘴的模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究.pdf

1、2006年我國(guó)二氧化硫排放總量達(dá)到2549萬(wàn)噸，其中近一半來(lái)自火電廠燃煤鍋爐。目前大型火電廠中運(yùn)用最多的脫硫工藝是采用噴淋塔的濕法煙氣脫硫工藝。盡管我國(guó)脫硫技術(shù)在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但為了降低脫硫系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用，進(jìn)行了工藝和設(shè)備的改進(jìn)和簡(jiǎn)化，導(dǎo)致多數(shù)系統(tǒng)的脫硫效率和設(shè)備可用率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，深入研究系統(tǒng)的流動(dòng)和反應(yīng)規(guī)律，優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅有助于提高現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)的脫硫效率和設(shè)備可用率，而且可望開(kāi)發(fā)新的脫硫工藝，以實(shí)現(xiàn)

2、低投資、低運(yùn)行費(fèi)用條件下的高效煙氣脫硫。
　　 本文首先研究了濕法煙氣脫硫系統(tǒng)常用的單層噴嘴和螺旋噴嘴。建立了一個(gè)噴嘴霧化試驗(yàn)臺(tái)，采用PDPA和快速CCD以及數(shù)碼相機(jī)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究噴嘴的霧化特性，考察了單層噴嘴和螺旋噴嘴液膜破裂長(zhǎng)度、液滴形成的影響因素，并歸納了實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在流量逐漸加大時(shí)，噴嘴出口液膜的流動(dòng)呈現(xiàn)三種狀態(tài)：穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)、抖動(dòng)狀態(tài)和散亂狀態(tài)。對(duì)于單層噴嘴，在噴嘴出口平均流速小于1.6m/s時(shí)，連續(xù)液膜破裂

3、主要以穿孔破裂為主；在噴嘴出口平均流速為1.6m/s～2.2m/s時(shí)，液膜的破裂包含波動(dòng)破裂和穿孔破裂：當(dāng)噴嘴出口流速大于2.2m/s時(shí)，連續(xù)液膜破裂為波動(dòng)破裂。對(duì)于螺旋噴嘴，在本實(shí)驗(yàn)條件下，連續(xù)液膜破裂均為波動(dòng)破裂。
　　 在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立了一套比較完整的能夠預(yù)測(cè)液滴顆粒形成的液相噴嘴霧化數(shù)學(xué)模型，包括噴嘴內(nèi)部流動(dòng)模型和外部流動(dòng)模型兩部分。內(nèi)部流動(dòng)采用RNGk-ε模型，用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得的出口參數(shù)作為

4、外部流動(dòng)的入口條件。在外部流動(dòng)模型中，通過(guò)假設(shè)邊界條件簡(jiǎn)化N-S方程，導(dǎo)出了液膜的界面控制方程，在綜合考慮液膜厚度、擾動(dòng)波長(zhǎng)及干擾波增長(zhǎng)率后，采用液膜厚度與干擾波滲透厚度比較來(lái)判定液膜破裂位置，并根據(jù)線性穩(wěn)態(tài)理論導(dǎo)出液膜破裂后形成液絲并進(jìn)而確定液滴顆粒初始參數(shù)。模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法測(cè)量的在有外界氣流擾動(dòng)下的液膜破裂和液滴形成情況，通過(guò)本模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)，模型計(jì)算結(jié)果顯示：在液體流量不變的情況下，外界氣流擾動(dòng)越大，

5、連續(xù)液膜維持長(zhǎng)度越短，產(chǎn)生的液滴顆粒粒徑越小。
　　 在上述實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，本文提出了一種組合式漿液噴嘴，并進(jìn)行了流動(dòng)特性、霧化特性、受力特性的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，依據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)初型噴嘴進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。研究結(jié)果表明：該噴嘴在20～120％設(shè)計(jì)流量下生成液滴粒徑主要為100～1400μm，并且液滴粒徑分布比較均勻，而螺旋噴嘴生成液滴粒徑主要為50μm～600μm，并且分布偏向小粒徑。由于小粒徑液滴易跟隨氣流，使系

6、統(tǒng)阻力增大，同時(shí)還造成后部除霧器工作壓力增大，排煙帶水量增加，因此該噴嘴可控制小液滴數(shù)量，降低系統(tǒng)阻力，減少排煙帶水量。該噴嘴還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工和維修的特點(diǎn)。
　　 為研究噴嘴在塔內(nèi)的霧化特性及塔內(nèi)的氣液流動(dòng)和SO2吸附特性，建立了一個(gè)可視化試驗(yàn)臺(tái)，考察了噴嘴結(jié)構(gòu)型式、氣液流量及比例、進(jìn)氣溫度、各噴淋層噴淋液配比等條件下系統(tǒng)的阻力特性和二氧化硫的吸附特性。研究結(jié)果表明：在小尺度塔內(nèi)，對(duì)于單層噴嘴，系統(tǒng)的主要阻力來(lái)自于液膜，

7、而對(duì)于螺旋噴嘴，液膜對(duì)系統(tǒng)的阻力影響小于單層噴嘴；噴淋脫硫塔內(nèi)不均勻流動(dòng)區(qū)域主要集中在塔底入口處；采用單層噴嘴和螺旋噴嘴的系統(tǒng)脫硫效果基本相當(dāng)。降低進(jìn)氣溫度有助于二氧化硫吸附。
　　 依據(jù)上述研究結(jié)果，本文構(gòu)造了一個(gè)三維兩相的噴淋脫硫塔數(shù)學(xué)模型，該模型導(dǎo)入了噴嘴霧化模型，并考慮氣流流動(dòng)、SO2與液滴化學(xué)反應(yīng)以及煙氣與液滴間動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換。首先，采用該模型對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，修正了SO2吸附參數(shù)使

8、模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。然后，采用該模型對(duì)揚(yáng)州電廠200MW機(jī)組脫硫塔進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果表明：在噴淋脫硫塔中，氣流和液滴的相互作用非常明顯，液滴對(duì)氣流有強(qiáng)烈的整流作用，而氣流對(duì)液滴也有夾帶作用，當(dāng)氣流速度超過(guò)6m/s后，液滴夾帶量明顯增大，從而使運(yùn)行阻力大大增加。在塔入口煙道中增加導(dǎo)流板使煙氣分層流入塔內(nèi)，可以改善塔內(nèi)煙氣與液滴的接觸效果，從而提高脫硫效率。最后，采用該模型對(duì)太倉(cāng)電廠2×300MW機(jī)組共用一個(gè)煙氣噴淋脫硫塔進(jìn)行了模擬